火焰原子吸收仪
产品组成
原子吸收光谱仪由光源、原子化器、单色器和检测器等四部分组成，如图2-1所示：
图2-1 火焰原子吸收光谱仪结构
2.1光源
光源是原子吸收光谱仪的重要组成部分，它的性能指标直接影响分析的检出限、精密度及稳定性等性能。光源的作用是发射被测元素的特征共振辐射。对光源的基本要求：发射的共振辐射的半宽度要明显小于吸收线的半宽度；辐射的强度要大；辐射光强要稳定，使用寿命要长等。空心阴极灯是符合上述要求的理想光源，应用最广。
图2-2 空心阴极灯示意图
空心阴极灯（Hollow Cathode Lamps，简称HCL）是由玻璃管制成的封闭着低压气体的放电管，如图2-2所示，主要是由一个阳极和一个空心阴极组成。阴极为空心圆柱形，由待测元素的高纯金属或合金直接制成，贵重金属以其箔衬在阴极内壁。阳极为钨棒，上面装有钛丝或钽片作为吸气剂。灯的光窗材料根据所发射的共振线波长而定，在可见波段用硬质玻璃，在紫外波段用石英玻璃。制作时先抽成真空，然后再充入压强约为267 ~ 1333 Pa的少量氖或氩等惰性气体，其作用是 载带电流、使阴极产生溅射及激发原子发射特征的锐线光谱。
由于受宇宙射线等外界电离源的作用，空心阴极灯中总是存在极少量的带电粒子。当极间加上300~ 500V电压后，管内气体中存在着的、极少量阳离子向阴极运动，并轰击阴极表面，使阴极表面的电子获得外加能量而逸出。逸出的电子在电场作用下，向阳极作加速运动，在运动过程中与充气原子发生非弹性碰撞，产生能量交换，使惰性气体原子电离产生二次电子和正离子。在电场作用下，这些质量较重、速度较快的正离子向阴极运动并轰击阴极表面，不但使阴极表面的电子被击出，而且还使阴极表面的原子获得能量从晶格能的束缚中逸出而进入空间，这种现象称为 阴极的“溅射” 。“溅射”出来的阴极元素的原子，在阴极区再与电子、惰性气体原子、离子等相互碰撞，而获得能量被激发发射出阴极物质的线光谱
空极阴极灯发射的光谱，主要是阴极元素的光谱。若阴极物质只含一种元素，则制成的是单元素灯。若阴极物质含多种元素，则可制成多元素灯。多元素灯的发光强度一般都较单元素灯弱。
空极阴极灯的发光强度与工作电流有关。使用灯电流过小，放电不稳定；灯电流过大，溅射作用增强，原子蒸气密度增大，谱线变宽，甚至引起自吸，导致测定灵敏度降低，灯寿命缩短。因此在实际工作中应选择合适的工作电流。
空极阴极灯是性能优良的锐线光源。由于元素可以在空极阴极中多次溅射和被激发，气态原子平均停留时间较长，激发效率较高，因而发射的谱线强度较大；由于采用的工作电流一般只有几毫安或几十毫安，灯内温度较低，因此热变宽很小；由于灯内充气压力很低，激发原子与不同气体原子碰撞而引起的压力变宽可忽略不计；由于阴极附近的蒸气相金属原子密度较小，同种原子碰撞而引起的共振变宽也很小；此外，由于蒸气相原子密度低、温度低、自吸变宽几乎不存在。因此，使用空极阴极灯可以得到强度大、谱线很窄的待测元素的特征共振线。
2.2原子化器
原子化器的功能是提供能量，使试样干燥、蒸发和原子化。入射光束在这里被基态原子吸收，因此也可把它视为“吸收池”。对原子化器的基本要求：必须具有足够高的原子化效率；必须具有良好的稳定性和重现形；操作简单及低的干扰水平等。其结构如图2-3所示。
图2-3 火焰原子化器结构示意图
火焰原子化法中，常用的是预混合型原子化器，它是由雾化器、雾化室和燃烧器三部分组成。用火焰使试样原子化是目前广泛应用的一种方式。它是将液体试样经喷雾器形成雾粒，这些雾粒在雾化室中与气体（燃气与助燃气）均匀混合，除去大液滴后，再进入燃烧器形成火焰。此时，试液在火焰中产生原子蒸气。
2.3.1雾化器
原子吸收法中所采用的雾化器是一种气压式、将试样转化成气溶胶的装置。典型的雾化器如图2-4所示。
当气体从喷雾器喷嘴高速喷出时，由于伯努利(Bernoumlli)效应的作用，在喷咀附近产生负压，使样品溶液被抽吸，经由吸液毛细管流出，并被高速的气流破碎成为气溶胶。气溶胶的直径在微米数量级。直径越小，越容易蒸发，在火焰中就能产生更多的基态自由原子。雾化器的雾化效率对分析结果有着重要影响。在原子吸收分析中，对试样溶液雾化的基本要求是：喷雾量可调，雾化效率高且稳定；气溶胶粒度细,分布范围窄。一个质量优良的雾化器，产生直径在5～10μm范围的气溶胶应占大多数。调节毛细管的位置即可改变负压强度而影响吸入速度。装在喷雾头末端的撞击球的作用就是使气溶胶粒度进一步细化，以有利于原子化。
喷雾器是火焰原子化器中的重要部件。它的作用是将试液变成细雾。雾粒越细、越多，在火焰中生成的基态自由原子就越多。目前，应用最广的是气动同心型喷雾器。喷雾器喷出的雾滴碰到玻璃球上，可产生进一步细化作用。生成的雾滴粒度和试液的吸入率，影响测定的精密度和化学干扰的大小。目前，喷雾器多采用不锈钢、聚四氟乙烯或玻璃等制成。
图2-4 雾化器结构图
2.3.2雾化室
雾化室的作用主要是去除大雾滴，并使燃气和助燃气充分混合，以便在燃烧时得到稳定的火焰。其中的扰流器可使雾滴变细，同时可以阻挡大的雾滴进入火焰。一般的喷雾装置的雾化效率为5 ~ 15%。
2.3.3燃烧器
试液的细雾滴进入燃烧器，在火焰中经过干燥、熔化、蒸发和离解等过程后，产生大量的基态自由原子及少量的激发态原子、离子和分子。通常要求燃烧器的原子化程度高、火焰稳定、吸收光程长、噪声小等。燃烧器有单缝和三缝两种。燃烧器的缝长和缝宽，应根据所用燃料确定。目前，单缝燃烧器应用最广。
燃烧器多为不不锈钢制造。燃烧器的高度应能上下调节，以便选取适宜的火焰部位测量。为了改变吸收光程，扩大测量浓度范围，燃烧器可旋转一定角度。
2.3.4火焰的基本特性
1)燃烧速度
燃烧速度是指由着火点向可燃烧混合气其它点传播的速度。它影响火焰的安全操作和燃烧的稳定性。要使火焰稳定，可燃混合气体的供应速度应大于燃烧速度。但供气速度过大，会使火焰离开燃烧器，变得不稳定，甚至吹灭火焰；供气速度过小，将会引起回火。
2)火焰的结构
正常火焰由预热区、第一反应区、中间薄层区和第二反应区组成，界限清楚、稳定（如图2-5）。
图2-5 预混合火焰结构示意图
预热区，亦称干燥区。燃烧不完全，温度不高，试液在这里被干燥，呈固态颗粒。
第一反应区，亦称蒸发区。是一条清晰的蓝色光带。燃烧不充分，半分解产物多，温度未达到最高点。干燥的试样固体微粒在这里被熔化蒸发或升华。通常较少用这一区域作为吸收区进行分析工作。但对于易原子化、干扰较小的碱金属，可在该区进行分析。
中间薄层区，亦称原子化区。燃烧完全，温度高，被蒸发的化合物在这里被原子化。是原子吸收分析的主要应用区。
第二反应区，亦称电离区。燃气在该区反应充分，中间温度很高，部分原子被电离，往外层温度逐渐下降，被解离的基态原子又重新形成化合物，因此这一区域不能用于实际原子吸收分析工作。
3)火焰的燃气和助燃气比例
在原子吸收分析中，通常采用乙炔、煤气、丙烷、氢气作为燃气，以空气、氧化亚氮、氧气作为助燃气。同一类型的火焰，燃气助燃气比例不同，火焰性质也不同。
按火焰燃气和助燃气比例的不同，可将火焰分为三类：化学计量火焰、富燃火焰和贫燃火焰。
化学计量火焰：是指燃气与助燃气之比与化学反应计量关系相近，又称其为中性火焰。此火焰温度高、稳定、干扰小、背景低。
富燃火焰：是指燃气大于化学计量的火焰。又称还原性火焰。火焰呈黄色，层次模糊，温度稍低，火焰的还原性较强，适合于易形成难离解氧化物元素的测定。贫燃火焰：又称氧化性火焰，即助燃比大于化学计量的火焰。氧化性较强，火焰呈蓝色，由于燃烧充分，温度较高，适于易离解、易电离元素的原子化，如碱金属等。
选择适宜的火焰条件是一项重要的工作，可根据试样的具体情况，通过实验或查阅有关的文献确定。一般地，选择火焰的温度应使待测元素恰能分解成基态自由原子为宜。若温度过高，会增加原子电离或激发，而使基态自由原子减少，导致分析灵敏度降低。
选择火焰时，还应考虑火焰本身对光的吸收。烃类火焰在短波区有较大的吸收，而氢火焰的透射性能则好得多。对于分析线位于短波区的元素的测定，在选择火焰时应考虑火焰透射性能的影响。
4)常用火焰
按照火焰的反应特性，一般将火焰分为还原性火焰（富燃火焰）、中性火焰（化学计量火焰）和氧化性火焰（贫燃火焰）。根据燃气成分不同，又可将火焰分为两大类：碳氢火焰和氢气火焰。以下是火焰分析中几种常用燃气－助燃气：
乙炔-空气火焰
这是原子吸收测定中最常用的火焰，该火焰燃烧稳定，重现性好，噪声低，温度高，对大多数元素有足够高的灵敏度。但它在短波紫外区有较大的吸收。
空气－乙炔火焰温度较高，半分解产物C、CO、CH等在火焰中构成还原气氛，因此有较强的原子化能力。其富燃火焰的半分解产物很丰富，能在火焰中抢夺氧化物中的氧，使被测金属原子化。因此，对易形成稳定氧化物的元素如Cr、Ca、Ba、Mo的测定等较为有利。以二价金属氧化物MO为例：
2MO+C→2M+CO2
5MO+2CH→5M+2 CO2+H2O
其贫燃焰适宜用于熔点高但不易氧化的金属测定，如Au、Ag、Pt、Ph、Ga、In、Ni、Co及碱金属元素，但稳定性较差。
其化学计量火焰适宜于大多数元素的测定。
氢-空气火焰
这是一种低温无色火焰，当用自来水或100～500μg/mL的钠标准溶液喷入时，才能看到此火焰，用这个办法可检查火焰是否点着及火焰的燃烧状态。
氢－空气火焰是氧化性火焰，燃烧速度较乙炔-空气火焰高，温度较低（约为2045℃）。由于这种火焰比空气－乙炔火焰的温度低，能使元素的电离作用显著降低，适宜于碱金属的测定。该火焰对Sn的测定有特效，用Sn224.6nm共振吸收线，灵敏度比空气－乙炔火焰高5倍。这种火焰具有稳定、背景发射较弱，透射性能好，有利于提高信噪比。火焰在短波紫外区气体吸收很小，加大氢气流量，吸收显著减少，对于一些分析线在短波区的元素如As、Se、Pb、Zn、Cd等非常有利。氢气－空气火焰的缺点是温度不够高，原子化效率有限，化学干扰大。此外，富燃条件下没有显著的还原气氛，不利于形成难解离氧化物元素的分析。
点燃氢－空气火焰时，可调节气体流量到制定值，然后让两种气体混合约半分钟再点火，点燃和熄灭火焰时，常伴随细小的爆裂声。声音过响，可能是氢气气流量徧小，可调大。氢气流量过小容易发生回火。
若将氩气作为雾化气，则形成同样透明且干扰更小的氩－氢火焰（氩-氢火焰约为1577℃）。
乙炔-一氧化二氮
火焰的优点是火焰温度高，而燃烧速度并不快，适用于难原子化元素的测定，用它可测定70多种元素。此火焰也叫笑气－乙炔火焰。
由于温度较高，这种火焰能促使离解能大的化合物的解离，同时其富燃火焰中除了C、CO、CH等半分解产物之外，还有如CN、NH等成份，它们具有强烈的还原性，能更有效的抢夺金属氧化物中的氧，从而使许多高温难解离的金属氧化物原子化，使Al、Be、B、Si、Ti、V、W、Mo、Ba、稀土等难熔性氧化物的元素能有效地测定。
这种火焰因温度较高，能排除许多化学干扰。但该火焰噪声大，背景强，电离度高。在某些波长区域，光辐射强，因此选择波长要谨慎。在试液中加进大量的碱金属（1000～2000μg/mL），能减少电离干扰效应。
乙炔－氧化二氮火焰由三个清晰的带组成。紧靠燃烧器的第一反应带呈深蓝色，第二反应带呈红羽毛状，又称红色羽毛区，充溢着CN和NH的强还原气氛，它能保护生成的金属原子，同时使金属氧化物在高温下反应，生成游离原子。
MO+NH→M+NO+H
MO+NH→M+N+OH
MO+CN→M+ CO+N
操作时需要注意该反应带的高度，它通常为5～15mm以上。可通过改变乙炔流量来控制。随乙炔流量的减少，红羽毛高度降低。当低于2mm时，火焰断裂，易发生回火。第三反应带为扩散层，呈淡蓝色。
乙炔－氧化二氮火焰不能直接点燃。使用不当，极易发生爆炸。火焰点燃和熄灭必须遵循乙炔－空气过渡原则，即首先点燃乙炔－空气火焰，待火焰建立后，徐徐加大乙炔流量，达到富燃状态后，将“转向阀”迅速从空气转到一氧化二氮（一氧化二氮的流量事先调节好）。熄灭时，将“转向阀”迅速从一氧化二氮转到空气（空压机不能关闭）。建立乙炔－空气火焰后，降低乙炔流量，再熄灭火焰。
乙炔－一氧化二氮火焰应使用“专用燃烧器”，严禁用乙炔－空气燃烧器代用。其燃烧器缝隙容易产生积炭，可在燃烧时用刀片及时清除，以免影响火焰的稳定性。严重积炭堵塞缝隙时容易引起回火爆炸。在燃烧吸喷溶液时，绝对禁止调节喷雾器，以防回火。
煤气－空气火焰
该火焰使用方便、安全，火焰温度、背景低。它的燃烧温度在1700～1900℃，属于低温火焰。对于易电离和易挥发的Rb、Cs、Na、K、Ag、Au、Cu、Cd等元素，具有较高的灵敏度。但是，多数情况下其灵敏度低于乙炔－空气火焰，干扰也较多。这种火焰在短波范围内，紫外线稀释比较强，噪音大。其它类型的火焰，如氢－氧火焰等现已不用。
2.3背景校正装置
2.3.1氘灯校正背景
连续光源校正背景技术，可采用氘灯、钨灯或氙灯作为背景校正光源。钨灯可用于可见及近红外波段。由于钨灯是热辐射光源，只能采用机械斩光方式调制，使用不方便，商品化仪器很少使用。氙灯一般用在大于220nm的波长范围，且由于电源复杂，应用也较少。氘灯可用于紫外波段（180～400nm），由于它是真空放电光源，调制方式既可采用机械方式也可采用时间差脉冲点灯的电调制方式，且原子吸收测量的元素共振辐射大多数处于紫外波段，所以氘灯校正背景是连续光源校正背景最常用的技术，已成为连续光源校正背景技术的代名词。
原子吸收光谱仪常用的氘灯背景校正装置如图2-6所示：
图2-6 氘灯背景校正装置
图2-6中(a)为通过型氘灯背景校正器，该装置使用的氘灯是特殊制作的中心有小孔的氘弧灯。元素灯的共振辐射由L1会聚后通过氘灯中心的小孔，与氘灯辐射合并后由L2会聚通过原子化器。氘灯与元素灯采用时间差脉冲点灯方式供电，仪器根据同步脉冲分时测量总吸收及背景吸收并计算分析原子吸收。(b)为反射型氘灯背景校正器，用一个旋转切光器M1使由空心阴极灯和氘灯发出的辐射交替地通过原子化器，分时测量总吸收（空心阴极灯的辐射吸收信号）及背景吸收（氘灯的辐射吸收信号）。反射型背景校正器，可使用氘灯、钨灯或氙灯作光源，光源调制方式可采用机械斩光调制也可采用时间差脉冲点灯电调制。当采用时间差脉冲点灯方式时，旋转切光器M1可用半透半反境代替，这种装置结构简单，稳定可靠，因此得到了广泛的应用。
这种装置的缺点是采用两种光源，由于光源的结构不同，两种灯的光斑大小也存在差异，不易准确聚光于原子化器的同一部位，故影响背景校正效果。氘灯在长波处的能量较低，不易进行能量平衡，也不适用于长波区的背景校正。
2.3.2空心阴极灯自吸收校正背景
自吸收校正背景方法是利用在大电流时空心阴极灯出现自吸收现象，发射的光谱线变宽，以此测量背景吸收。图2-7是空心阴极灯自吸收法背景校正装置的原理图。主控制器控制系统的整体工作，由单片机及接口电路组成，也有采用程序存储器编码输出时序信号，同步整个系统的工作。D/A输出控制空心阴极灯电源，D/A输出电平的高低产生空心阴极灯电流波形。窄脉冲大电流IH是自吸收电流，峰值电流可设置为300－600mA，宽脉冲小电流IL是正常测量电流，峰值电流可设置为60 mA或更小。仪器控制软件在设置灯电流时，厂家一般给定的是平均电流，约几毫安至十几毫安，这并不表示几毫安的灯电流即能产生自吸现象。点灯频率可取100－200Hz，太高的频率光强度不易稳定，频率太低背景校正效果差。由于宽、窄脉冲的电流差别很大，前置信号放大器必需取不同的增益，以平衡信号的输出。由同步信号控制在tL及tH时刻分别接通运算放大器的反馈电阻RL及RH输出总吸收测量信号及背景测量信号。
图2-7 空心阴极灯自吸收背景校正装置
自吸收背景校正装置的主要优点是：(1) 装置简单，除灯电流控制电路及软件外不需要任何的光机结构；(2)背景校正可在整个波段范围（190～900nm）实施；(3)用同一支空心阴极灯测量原子吸收及背景吸收，样品光束与参比光束完全相同，校正精度很高。
同时也存在一些不足：(1) 不是所有的空心阴灯都能产生良好的自吸发射谱线。一些低熔点的元素在很低的电流下即产生自吸，一些高熔点元素在很高的电流下也不产生自吸，对这样一些元素测定，灵敏度损失严重，甚至不能测定。(2) 由于空心阴极灯的辐射相对供电脉冲有延迟，为在自吸后能返回到正常状态，调制频率不宜太高。
鉴于以上几点，有人专门研究了自吸收用的空心阴极灯。也有人采用高强度空心阴极灯作背景校正，采取的措施是在窄脉冲时切断辅助阴极的供电，以提高自吸收能力，宽脉冲时增加辅助极电流，以使自吸收降至最小。在这种条件下，分析灵敏度得以提高，尤其是对一些通常工作电流下便发生自吸的元素，效果更好，如Na的测定。
2.4单色器
单色器是用于从激发光源的复合光中分离出被测元素的分析线的部件。早期的单色器采用棱镜分光，现代光谱仪大多采用平面或凹面光栅单色器。进入二十一世纪已有采用中阶梯光栅单色器的仪器推向市场，这种仪器分辨能力强、结构小巧，具有很强的发展潜力。
单色器是光学系统的最重要部件之一，其核心是色散元件。光栅色散率均匀，分辨率高，是良好的分光元件。尤其是复制光栅技术的发展，已能生产出价格低廉的优质复制光栅，所以近代商品原子吸收光谱仪几乎都采用光栅单色器。单色器由入射和出射狭缝、反射镜和色散元件组成。色散元件一般为光栅。单色器可将被测元素的共振吸收线与邻近谱线分开。
作为单色器的重要指标，光谱带宽是由入射、出射狭缝的宽度及分光元件的色散率确定的，更小的光谱带宽可更有效的滤除杂散辐射。
例如：光谱带宽设置为1nm时，Ni灯的232.0nm(共振线)、231.6nm(非共振线)、231.0nm(共振线)三条线同时进入检测系统，将使测定灵敏度明显降低，如果减小光谱带宽为0.2nm，只允许Ni232.0nm共振线进入检测系统，则分析灵敏度明显提高。
原子吸收常用的光谱带宽有0.1nm，0.2nm，0.4nm，1.0nm，2.0nm等几种。人们注意到，在一般状态下元素灯的共振辐射带宽小于0.001nm，故狭缝宽度减半时，光通量也相应减半，而对于连续辐射，除光通量减半外，谱带宽度也要减半，因而在狭缝宽度减半时，能量衰减系数为4。在有强烈的宽谱带发射光（例如，对钡元素进行分析时火焰或石墨管发射的炽热光）抵达光电倍增管时，狭缝宽度减小1倍可使杂散辐射减为1/4，而光谱能量减小1倍。为进一步控制杂散辐射，有的仪器采用狭缝高度可变的设计，在测量一些特殊元素（如钡、钙等）或使用石墨炉时可选用。值得提及的是，这种设计并不是通过减小光谱带宽来降低宽带辐射的杂散光，而是从光学成像角度考虑的。火焰或石墨管发射的炽热光面积较大，在狭缝处能量均匀，而元素灯的共振辐射在狭缝中心能量最强，故而降低狭缝高度，可降低杂散辐射的比例。
2.5监测器
原子吸收光谱法中检测器通常使用光电倍增管。光电倍增管是一种多极的真空光电管，内部有电子倍增机构，内增益极高，是目前灵敏度最高、响应速度最快的一种光电检测器，广泛应用于各种光谱仪器上。
常用光电倍增管有两种结构，分别为端窗式与侧窗式，其工作原理相同。端窗式从倍增管的顶部接收光，侧窗式从侧面接收光，目前光谱仪器中应用较广泛的是侧窗式。
光电倍增管的工作电源应有较高的稳定性。如工作电压过高、照射的光过强或光照时间过长，都会引起疲劳效应。
2.6类型
按光束分为单光束与双光束型原子吸收分光光度计；
按调制方法分为直流与交流型原子吸收分光光度计；
按波道分为单道、双道和多道型原子吸收分光光度计。
